李大偉

（廣州地鐵車輛中心，廣東廣州511400）

在投入運(yùn)營(yíng)的廣州地鐵1，2，8號(hào)線增購(gòu)車上，采用的是株洲時(shí)代電氣股份有限公司研發(fā)的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TGN51E型國(guó)產(chǎn)車輛牽引系統(tǒng)，這將是國(guó)產(chǎn)車輛牽引系統(tǒng)首次在廣州地鐵A型車上的批量應(yīng)用。牽引系統(tǒng)是地鐵列車的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行設(shè)備維護(hù)和試驗(yàn)的費(fèi)用十分昂貴。本文以廣州地鐵1，2，8號(hào)線增購(gòu)車牽引逆變器再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)為研究對(duì)象，介紹廣州地鐵列車牽引逆變器再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)的工作原理，充分分析斬波相IGBT爆裂的原因，指出牽引系統(tǒng)在邏輯控制設(shè)計(jì)上的問(wèn)題和缺陷，并提出整改措施。

1 再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)的工作原理

1.1 牽引系統(tǒng)的介紹

廣州地鐵1，2，8號(hào)線增購(gòu)車是由4動(dòng)2拖車組成的6列編組列車，每列車由兩個(gè)相同的3車單元（A-B-C-C-B-A）構(gòu)成。B車和C車為動(dòng)車，具有相同的、獨(dú)立的列車牽引設(shè)備。牽引系統(tǒng)其主要功能是DC 1 500V電壓逆變成帶有可變振幅和頻率的三相電壓，用于牽引和制動(dòng)，牽引電機(jī)產(chǎn)生牽引力或制動(dòng)力，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或?qū)C(jī)械制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)現(xiàn)牽引或再生制動(dòng)。

牽引系統(tǒng)主回路電路圖如圖1所示。

主回路主要由高速斷路器、電抗器、充電電路、逆變器、牽引電機(jī)（4個(gè)）、斬波管、制動(dòng)電阻等組成，紅色框部件為牽引逆變器的電阻制動(dòng)電路［1］。

1.2 牽引逆變器主要技術(shù)參數(shù)

輸入電壓：DC1 500V（1 000V～1 800V）

額定輸出容量：2×530kVA

最大輸出容量：2×1 000kVA

輸出電壓：0～1 400V

輸出頻率：0～150Hz

開(kāi)關(guān)頻率：500Hz

額定輸出電流：2×262A

牽引最大輸出電流：2×384A（有效值）

制動(dòng)最大輸出電流：2×534A（有效值）

額定工作點(diǎn)效率：0.98

制動(dòng)斬波最大電流：800A

控制方式：VVVF直接轉(zhuǎn)矩控制

圖1 牽引系統(tǒng)主電路

1.3 再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)工作原理

廣州地鐵1，2，8號(hào)線增購(gòu)車制動(dòng)方式采用電制動(dòng)（含再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)）與空氣制動(dòng)混合運(yùn)算的控制方式。按列車制動(dòng)力的需求，系統(tǒng)優(yōu)先充分發(fā)揮電制動(dòng)力的作用，以減少閘瓦磨耗并節(jié)約電能。電制動(dòng)時(shí)，優(yōu)先使用電網(wǎng)吸收再生能量，VVVF控制單元（牽引控制單元）連續(xù)監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)，檢查能量的吸收狀況。當(dāng)電網(wǎng)吸收電能能力不足或不能吸收時(shí)，電網(wǎng)電壓（濾波電容端電壓）會(huì)升高，牽引控制單元根據(jù)濾波電容器端電壓情況，控制制動(dòng)斬波器的開(kāi)通。當(dāng)電容器端電壓超過(guò)1 830V時(shí)，斬波控制器開(kāi)通，制動(dòng)電阻投入工作，將多余能量轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉。當(dāng)電制動(dòng)力不足或失效時(shí)，由空氣制動(dòng)控制裝置控制投入空氣制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)足或替代?？諝庵苿?dòng)補(bǔ)足時(shí)優(yōu)先使用拖車的空氣制動(dòng)力。列車所需制動(dòng)力大小，由空氣制動(dòng)電子控制單元根據(jù)制動(dòng)指令和列車載荷進(jìn)行演算，然后轉(zhuǎn)換成電制動(dòng)力指令向牽引逆變器（VVVF）發(fā)送。制動(dòng)系統(tǒng)能隨時(shí)根據(jù)車輛載荷及由牽引逆變器（VVVF）反饋回的實(shí)際施加電制動(dòng)力等效信號(hào)對(duì)空氣制動(dòng)力進(jìn)行修正，以滿足不同制動(dòng)指令對(duì)制動(dòng)力的要求。電制動(dòng)與空氣制動(dòng)隨時(shí)自動(dòng)配合、平滑相互轉(zhuǎn)換，列車無(wú)沖動(dòng)，如圖2所示。

圖2 信號(hào)傳遞示意圖

2 斬波相IGBT爆裂故障分析

2.1 事故現(xiàn)象

2012年8月23日12時(shí)24分鐘，廣州1，2，8號(hào)線增購(gòu)車第3列8B105車牽引逆變器模塊1斬波相兩個(gè)IGBT元件爆裂。

圖3 HMI故障履歷表

如圖3所示，故障發(fā)生時(shí)刻，HMI故障履歷表內(nèi)首先出現(xiàn)VVVF中間電流過(guò)流，其次分別是VVVF模塊1、2逆變過(guò)流、VVVF的1C管故障、差動(dòng)電流大于50 A、模塊斬波管故障等信息。

列車回庫(kù)后，檢查故障車牽引設(shè)備箱，發(fā)現(xiàn)牽引逆變器內(nèi)部IGBT斬波管爆裂，如圖4所示。

圖4 牽引逆變器IGBT斬波管

2.2 故障數(shù)據(jù)解析

根據(jù)DCU故障記錄分析，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)在故障發(fā)生之前，A相（粉紅色）、B相（天藍(lán)色）逆變輸出電流是正常的，電網(wǎng)電壓（黃色）和中間直流電壓（紅色）均在允許范圍之內(nèi)。因此可基本排除外電路牽引電機(jī)負(fù)載的影響。

圖5 DCU故障記錄波形

故障發(fā)生在再生制動(dòng)工況下，直流中間電壓會(huì)由于再生能量的回饋而提升，正常情況下當(dāng)中間電壓超過(guò)斬波電壓開(kāi)通門(mén)檻時(shí)，斬波元件將開(kāi)通，抑制中間電壓過(guò)度提升。當(dāng)中間電壓低于斬波電壓關(guān)斷門(mén)檻時(shí)，斬波元件將關(guān)閉。從當(dāng)天ERM下載的數(shù)據(jù)上來(lái)看，在相同給定力矩情況下，B1車中間直流電流長(zhǎng)時(shí)間明顯比其他車低得多，故障時(shí)刻中間直流電壓在1 750V左右，很明顯斬波支路存在異常電流。

2.3 IGBT爆裂原因分析

由于該器件經(jīng)常應(yīng)用于大功率及開(kāi)關(guān)速率快的場(chǎng)合。因此發(fā)生擊穿甚至炸管的幾率非常高，究其根本原因有以下3點(diǎn)：過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫。

IGBT的快速開(kāi)通和關(guān)斷有利于縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間和減小開(kāi)關(guān)損耗，但過(guò)快的開(kāi)通和關(guān)斷，在大電感負(fù)載下反而有害。開(kāi)通時(shí)，存在續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流和吸收電容器的放電電流，因此開(kāi)通越快，IGBT承受的峰值電流也就越大。甚至急劇上升，導(dǎo)致IGBT或者續(xù)流二極管損壞。關(guān)斷時(shí)，大電感負(fù)載隨IGBT的超速開(kāi)通和關(guān)斷，將在電路中產(chǎn)生頻率和幅值很高而寬度很窄的尖峰電壓L×di／dt，常規(guī)的過(guò)電壓吸收電路由于受到二極管開(kāi)通速度的限制難以吸收該尖峰電壓，因而 陡然上升產(chǎn)生過(guò)沖現(xiàn)象，IGBT將承受較高的duce／dt沖擊，有可能造成自身或電路中其他元器件因過(guò)電壓擊穿而損壞，所以在大電感負(fù)載時(shí)，IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間不能過(guò)短。

表1 牽引系統(tǒng)中間電流數(shù)值

表1所示，4個(gè)動(dòng)車牽引系統(tǒng)中間電流相比較后，發(fā)現(xiàn)B1車的中間電流與其他3節(jié)車相比，中間電流小了120 A左右，而同時(shí)下載DCU數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)牽引系統(tǒng)未斬有流，當(dāng)時(shí)的中間電壓為1 750V，沒(méi)有達(dá)到斬波相開(kāi)啟門(mén)檻值。因此，可以得出斬波相IGBT存在異常，分析得出是IGBT的續(xù)流二極管失效導(dǎo)致。

開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響到開(kāi)關(guān)損耗，每開(kāi)通關(guān)斷一次損耗就會(huì)累加，如果開(kāi)關(guān)頻率很高，損耗就會(huì)很大，除了降低逆變器的效率以外，損耗造成的最直接影響就是溫度升高。這不僅會(huì)加重IGBT發(fā)生擎住現(xiàn)象的危險(xiǎn)，而且，會(huì)延長(zhǎng)集電極電流的下降時(shí)間和集電極—發(fā)射極電壓的上升時(shí)間，引起關(guān)斷損耗的增加。顯然，這是一個(gè)惡性循環(huán)。因此，為IGBT提供良好的散熱條件是有效利用器件、減少損耗的主要措施。

由圖5可以看出，因?yàn)閿夭ㄏ啻嬖诋惓ｋ娏鲗?dǎo)致斬波相元件過(guò)熱而損壞。元件之所以爆裂，是由于瞬間大能量通過(guò)斬波相元件，引起了上述斬波相元件爆裂。斬波回路短路引起主電路直流（LH2）側(cè)過(guò)流故障。

元件爆裂拉弧放電，造成回路接地，引起差分電流傳感器（VH1）動(dòng)作。

目前，列車斬波管開(kāi)通的門(mén)檻值：在牽引狀態(tài)時(shí)是1 845V，在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)是1 830V；而同時(shí)此門(mén)檻值并沒(méi)有多做保護(hù)措施，只要電壓分別達(dá)到這兩個(gè)數(shù)值，那么斬波管就會(huì)開(kāi)通。通過(guò)讀取故障車的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，列車在制動(dòng)時(shí)的電壓波動(dòng)比較頻繁，中間電壓頻繁在1 830 V這個(gè)數(shù)值來(lái)回的波動(dòng)，造成斬波管頻繁的開(kāi)啟和關(guān)斷，對(duì)元件造成很大的損傷。

3 改進(jìn)措施

根據(jù)以上現(xiàn)象分析，斬波元件使用過(guò)程中出現(xiàn)異常是此次故障的直接原因，而引起IGBT燒損的直接原因是控制IGBT開(kāi)關(guān)的兩個(gè)脈沖之間沒(méi)有足夠的間隔時(shí)間，導(dǎo)致續(xù)流二極管不能正?；謴?fù)而損壞，繼而橋臂貫穿。

針對(duì)此次出現(xiàn)的斬波管故障，生產(chǎn)廠家調(diào)整了逆變程序，增加斬波相溫度、過(guò)壓、過(guò)流等觀測(cè)變量，并進(jìn)行了預(yù)防控制，降低斬波管使用率為20ms。從2012年8月28日刷新程序后至今牽引系統(tǒng)表現(xiàn)情況良好。相信通過(guò)對(duì)斬波管開(kāi)通頻率的控制在很大程度上可以解決此類故障現(xiàn)象，也能使?fàn)恳到y(tǒng)穩(wěn)定性得到很大的改善，大大提高了列車牽引性能。

［1］株洲時(shí)代電氣股份有限公司.廣州地鐵1，2，8號(hào)線電動(dòng)車組維修手冊(cè)［Z］.2012.